纳米SiO2改性大豆蛋白/聚乙烯醇生物降解薄膜研究

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实验室前期已通过流延法得到了生物降解性能良好的大豆蛋白/聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)包装膜,但在潮湿环境下,薄膜力学性能下降明显。为改善这一现象,本试验采用纳米SiO2改性大豆蛋白/PVA薄膜,研究了纳米SiO2的粒径及浓度、分散条件、膜液pH等对复合薄膜性能的影响;得到了制备纳米SiO2改性复合薄膜的较优工艺参数,并建立了数学模型;表征了纳米SiO2改性大豆蛋白/PVA薄膜的结构;并研究了包装膜的降解性能和保鲜性能。结果表明:1、单因素试验表明:选用聚乙烯基吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone, PVP)为分散剂,将粒径30 nm的SiO2经超声分散处理得到纳米悬浮液,并直接加入到大豆蛋白和PVA的混合膜液中,得到的薄膜机械强度较高,耐水性较强,此时纳米SiO2粒子的适宜用量为1.5%,PVP的适宜用量为1.0%,膜液pH配置为5.0。2、考察了不同分散条件对薄膜性能的影响,结果表明:较优纳米分散方式为超声波分散,其适宜的纳米分散温度为45℃,分散功率为140 W,分散时间为50 min;以纳米分散温度、分散功率及分散时间为试验因子进行L9(34)正交试验,得到纳米SiO2最佳分散条件为:超声温度为45℃,超声功率为160 W,超声时间为40 mmin。3、响应面试验结果表明:制备纳米SiO2改性大豆蛋白/PVA复合薄膜的最佳工艺条件为纳米SiO2粒子用量1.75%,PVP用量为1.20%,薄膜pH为5.50。薄膜的综合性能评分(Yx)和纳米SiO2粒子的用量(X1)、PVP的用量(X2)和膜液pH(X3)之间的回归方程为:Yx=0.56+0.1 X1+0.1 X2+0.11 X3-0.011 X1 X2+0.043 X1 X3-0.012 X2 X3-0.12 X12-0.11 X21-0.15 X32。模型的R2为0.9625。与原大豆蛋/PVA复合膜相比,改性后薄膜的抗张强度由4.61MPa增加到9.76MPa,断裂伸长率由64.98%提升到了92.76%,透光率由15.54%升到24.12%,而吸水率由46.37%略降到45.28%。4、DSC, XRD及SEM测试结果显示,大豆蛋白/PVA薄膜是部分结晶的共混材料,纳米SiO2粒子的加入破坏了大豆蛋白和PVA的晶体结构,纳米SiO2、大豆蛋白及PVA之间具有良好的生物相容性,三者之间形成了更加复杂紧密的网络结构;FT-IR分析说明纳米SiO2与大豆蛋白和PVA之间形成了新的氢键和其他化学键,分子间相互作用增强;TGA试验说明原材料的脆性降低,热稳定性能提高。5、降解试验及保鲜试验结果显示:在土埋131天时,室内恒温恒湿条件及室外自然条件下,纳米改性薄膜的失重率分别为63.93%和69.34%,纳米SiO2与高分子之间形成新的交联链缠结构,使复合薄膜结构更加致密,使微生物的生长及小分子气体在材料中的传递受阻,限制了微生物的分解利用速率:在对圣女果的保鲜中,纳米改性的包装膜和市售保鲜膜的高阻隔性,使果实与大气间气体交换受阻,抑制了圣女果的生理活动,进而有效减缓了果实硬度下降、可溶性固形物及VC的消耗速率。
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